汪詰《時(shí)間的形狀》

時(shí)光社15號(hào)列車《時(shí)間的形狀》即將到站，在開始之前，我想談?wù)劄槭裁催x擇要領(lǐng)讀這本書？有三個(gè)原因：1.我本人在學(xué)校讀書期間，對(duì)數(shù)學(xué)和物理尤其感興趣，出來(lái)工作之后，因工作原因逐漸遠(yuǎn)離了二者，前段時(shí)間有幸閱讀到了這本《時(shí)間的形狀》，如獲至寶，這本書閱讀體驗(yàn)就像看一部美劇，一部接一部反轉(zhuǎn)劇情讓你欲罷不能，也令我重燃對(duì)自然科學(xué)的興趣；2.時(shí)光社時(shí)光社，時(shí)光，也就是時(shí)間，在時(shí)光社里談讀書，卻不知時(shí)間為何物，總是差點(diǎn)意思，而要了解時(shí)間，無(wú)論如何，物理學(xué)視角恐怕是少不了的；3.我們的讀書主題，就叫列車，而在這本書里，論述時(shí)間相對(duì)性時(shí)，也大量地使用列車作為思想實(shí)驗(yàn)的載體，也算是契合了時(shí)光社的主題（這波廣告打的，就問一句，還有誰(shuí)？）。而我也嘗試通過(guò)對(duì)這樣一本科普讀物的解讀，首先讓我自己搞懂這本書，也希望通過(guò)我狹隘的個(gè)人視角，與愿意讀下去的書友們一起走進(jìn)波瀾壯闊的物理學(xué)世界（寫到一半回來(lái)加這句話：試圖講清楚相對(duì)論似乎并非易事，簡(jiǎn)單說(shuō)又說(shuō)不明白，解釋具體又顯得枯燥乏味，看官們請(qǐng)根據(jù)自身情況自便處理吧）。

一、作者與本書簡(jiǎn)介

汪詰，“科學(xué)聲音”組織首屆輪值秘書。其代表作《時(shí)間的形狀：相對(duì)論史話》獲第八屆國(guó)家文津圖書獎(jiǎng)，另著有《星空的琴弦》《外星人防御計(jì)劃》《科幻世界漫游指南》等作品。自媒體節(jié)目《科學(xué)有故事》主播，全國(guó)各科技館、中小學(xué)人氣演講嘉賓。

《時(shí)間的形狀》，副標(biāo)題“相對(duì)論史話”，主要講述的是，大名鼎鼎的相對(duì)論到底是一個(gè)怎樣的理論，愛因斯坦又是如何提出的。這是一本讀著像小說(shuō)一樣的科普讀物，作者按照時(shí)間順序，從伽利略、牛頓的經(jīng)典物理學(xué)理論開始說(shuō)起，再講到光速測(cè)量，以及困擾經(jīng)典物理學(xué)界很多年的光速不變之謎。一個(gè)接一個(gè)的懸念推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展，直到愛因斯坦橫空出世，用相對(duì)論破解有關(guān)時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)和引力的謎團(tuán)，為讀者打開一個(gè)看待世界的全新視角。

說(shuō)到相對(duì)論，有些人覺得，相對(duì)論的意思就是，世界上沒什么是絕對(duì)的，都是相對(duì)的。這完全就曲解了相對(duì)論的真正含義，不是說(shuō)世界是相對(duì)的是錯(cuò)的，而是說(shuō)相對(duì)論根本就沒有也沒有意圖要在哲學(xué)層面上去表達(dá)這層意思，恰恰相反，愛因斯坦晚年，非常不喜歡別人把這個(gè)理論叫相對(duì)論，他覺得應(yīng)該叫不變論。因?yàn)閻垡蛩固棺钭院赖木褪撬l(fā)現(xiàn)了宇宙中的那些永恒不變的東西，比如在真空中光的傳播速度是不變的。

《時(shí)間的形狀》這本書，為每一個(gè)想了解相對(duì)論的人，提供了一條捷徑。相對(duì)論是個(gè)什么理論？它是研究時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)、引力這四者關(guān)系的理論體系的總稱，它是這一百多年來(lái)人類最偉大的兩個(gè)理論之一，另一個(gè)理論是量子力學(xué)。在科學(xué)史上，曾經(jīng)有一些理論沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但并不是這個(gè)理論的遺憾，而是諾貝爾獎(jiǎng)的巨大遺憾。

二、你必須了解的四個(gè)概念

在開始進(jìn)入相對(duì)論是怎么被提出的這段歷史之前，我們還要先來(lái)學(xué)習(xí)四個(gè)很重要的概念，可以說(shuō)，這四個(gè)概念不僅對(duì)于了解相對(duì)論有幫助，對(duì)于了解所有科學(xué)理論都會(huì)有幫助，也可以加深我們對(duì)科學(xué)精神的理解。作者汪詰有一句名言：比科學(xué)故事更重要的是科學(xué)精神。下面了解一下這四個(gè)概念：

（一）波普爾的證偽說(shuō)——科學(xué)與偽科學(xué)的量尺

要判斷一個(gè)理論是不是科學(xué)理論，著名的科學(xué)哲學(xué)家波普爾提出，一個(gè)理論如果想要被真正完全的證實(shí)，是不可能的，但是可以具備被證明是錯(cuò)誤的可能性，也就是具備“可證偽性”。比如說(shuō)，天下烏鴉一般黑，想證明這句話是不是科學(xué)理論，你就得滿世界去抓烏鴉，但你即使抓便天下的烏鴉，我還是可以問你，你怎么知道宋朝的烏鴉也都是黑的？你怎么知道以后不會(huì)有白烏鴉？這就是無(wú)法完全證實(shí)，你是不是想說(shuō)，這tmd完全就是在抬杠嘛，有這個(gè)必要嗎？有，這不是抬杠，這叫科學(xué)精神。但如果你抓到一只白色的烏鴉，就證明這句話是錯(cuò)的，這就是可證偽性。另外，科學(xué)理論還應(yīng)該可以做出預(yù)言，比如有人說(shuō)他抓住了一只烏鴉，你都不用看就知道，烏鴉應(yīng)該是黑色的。

也就是說(shuō)，只有滿足了“預(yù)言”和“證偽”這兩個(gè)條件，我們才能為其冠以科學(xué)之名。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果你提出的一個(gè)理論并且做出的預(yù)言是永遠(yuǎn)不可能被實(shí)驗(yàn)推翻的，那么就不能稱之為科學(xué)理論。

（二）奧卡姆剃刀原理

很多人多多少少可能聽過(guò)這個(gè)原理，是什么意思呢？原文比較文縐縐，是這樣說(shuō)的：“如無(wú)必要，勿增實(shí)體”。想解釋一個(gè)現(xiàn)象，假設(shè)最少的解釋往往最接近真相。比如咱們都聽過(guò)的《皇帝的新裝》這個(gè)童話，除了那個(gè)說(shuō)真話的小孩，其他人可能都做了這么幾個(gè)假設(shè)：假設(shè)皇帝穿了一件漂亮的衣服，假設(shè)只有聰明人才能看到，假設(shè)我比較蠢，所以看不到那件衣服。這是三個(gè)假設(shè)。但那個(gè)孩子呢，他的假設(shè)只有一個(gè)，就是：皇帝根本沒穿衣服，所以我看不到。這就是最接近真相的解釋。

奧卡姆剃刀原理還說(shuō)明了另外一個(gè)道理：如果有某個(gè)條件是不能被我們感知和檢測(cè)到的，那么和沒有這個(gè)條件根本就是等價(jià)的。比如說(shuō)，天上發(fā)生閃電的時(shí)候，某大師告訴我們，這是我發(fā)功召喚來(lái)的一條天龍正在吐火，但是這條天龍你們凡人是永遠(yuǎn)不可能看見的，也永遠(yuǎn)別想用任何科學(xué)手段檢測(cè)到，只有我能看見。根據(jù)奧卡姆剃刀原理，某大師的說(shuō)法和沒有這條龍的存在是等價(jià)的。換句話說(shuō)，我們應(yīng)當(dāng)把所有一切不能被我們所感知和檢測(cè)的條件都毫不留情地像剃刀刮肉一樣從我們的理論中刮去，毫不猶豫。奧卡姆剃刀原理，就是愛因斯坦說(shuō)的“上帝喜歡簡(jiǎn)單”。

結(jié)合波普爾的證偽說(shuō)以及奧卡姆剃刀原理，霍金在《大設(shè)計(jì)》里就提出了基于模型的實(shí)在論，人類對(duì)世界的一切認(rèn)知，都是建立在模型上的，也就是說(shuō)，不存在一個(gè)絕對(duì)正確客觀的世界，而可以有更好更恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?，我們糾結(jié)這個(gè)模型是否是絕對(duì)真理是沒有意義的，而只要它能夠做出更好的解釋就可以了，一個(gè)好的理論模型所要具備的條件是：

1.它是優(yōu)雅的，（是否可以被嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)）

2.它包含很少任意或者可調(diào)整的元素，（奧卡姆剃刀）

3.它和全部已有的觀測(cè)一致并能解釋之，（邏輯自恰并符合實(shí)踐，）

4. 它對(duì)將來(lái)的觀測(cè)做詳細(xì)的預(yù)言，如果這些預(yù)言不成立，觀測(cè)就能證偽這個(gè)模型。（波普爾證偽說(shuō)）

（三）思維實(shí)驗(yàn)——在大腦中運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)

在物理學(xué)的發(fā)展史上，有一種特殊的實(shí)驗(yàn)起到了至關(guān)重要的作用，這就是“思維實(shí)驗(yàn)”，也就是不需要任何實(shí)驗(yàn)設(shè)備，只需要在頭腦中想象一個(gè)實(shí)驗(yàn)就行。這聽上去很違反常識(shí)，怎么只靠想就能做實(shí)驗(yàn)?zāi)?？這還真不是騙人的，相對(duì)論的最終建立，思維實(shí)驗(yàn)起到的作用可以說(shuō)是居功至偉。它的好處是當(dāng)一些真實(shí)情況由于技術(shù)缺陷而無(wú)法做到時(shí)，我們可以在腦子里做，甚至于很多被推翻的理論，僅僅只是通過(guò)思維實(shí)驗(yàn)就可以做到，但思維實(shí)驗(yàn)不是天馬行空和胡思亂想，它是需要建立在經(jīng)驗(yàn)與邏輯之上的。比如伽利略推翻亞里士多德的兩個(gè)鐵球問題，就是通過(guò)邏輯推導(dǎo)就已經(jīng)證明了亞里士多德的說(shuō)法是自相矛盾的。

（四）佯謬——乍一看肯定是不對(duì)的，但沒想到卻是真的。

在物理學(xué)中，有一個(gè)很拗口的術(shù)語(yǔ)，叫“佯謬”。什么意思呢？就是反直覺，乍一聽肯定是錯(cuò)誤的，但是沒想到卻是正確的。在相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)了非常多的佯謬，也就是反直覺、徹底顛覆我們?nèi)^的現(xiàn)象，這個(gè)世界的奇妙往往遠(yuǎn)大于你的想象，還有無(wú)數(shù)更加不可思議的佯謬在前面等著我們。

以上是四個(gè)認(rèn)識(shí)科學(xué)的基本概念，搞清楚這四個(gè)基本概念之后，下面我們開始進(jìn)入物理學(xué)的世界，在講相對(duì)論之前，我們先要了解伽利略和牛頓所建立的絕對(duì)時(shí)空觀，因?yàn)橄鄬?duì)論既建立于其上，又是對(duì)其的顛覆。

三、絕對(duì)時(shí)空觀

別說(shuō)愛因斯坦那個(gè)時(shí)代，甚至在現(xiàn)在，毫不夸張地說(shuō)，絕大多數(shù)人的世界觀是停留在三四百年前的伽利略和牛頓時(shí)代的，你還真別不信，我下面簡(jiǎn)單說(shuō)一說(shuō)。

時(shí)間是什么？時(shí)間雖然看不見摸不著，難以準(zhǔn)確定義，但牛頓說(shuō)，時(shí)間是它自個(gè)兒的事，它真實(shí)存在但又與外在的一切事務(wù)都無(wú)關(guān)，它絕對(duì)地、均勻地流逝，不與任何性質(zhì)相關(guān)，任何力量都無(wú)法改變它絕對(duì)不變的頻率。這就是牛頓經(jīng)典物理中的絕對(duì)時(shí)空觀。時(shí)間對(duì)于世間萬(wàn)物都是公平的，上帝他老人家就既像一個(gè)慷慨的施主又像是一個(gè)超級(jí)吝嗇鬼，不論你是國(guó)王還是乞丐，他從不多給一點(diǎn)也不少給一點(diǎn)。在愛因斯坦成名之前，人人都認(rèn)為這個(gè)絕對(duì)時(shí)空觀是天經(jīng)地義的常識(shí)，難道還會(huì)有什么錯(cuò)嗎？先不急，我們一點(diǎn)一點(diǎn)地推進(jìn)。

1.伽利略相對(duì)性原理：在任何慣性系中，力學(xué)規(guī)律保持不變。

什么是力學(xué)規(guī)律？比如我們中學(xué)學(xué)過(guò)的自由落體定律和慣性定律。

自由落體定律：如果不考慮空氣阻力的話，那么任何物體的下落速度都是一樣的，且都是呈一個(gè)固定的加速度（這個(gè)加速度上過(guò)中學(xué)的人都知道，就是g≈9.8米/秒2）。

慣性定律：伽利略是通過(guò)U形管思維實(shí)驗(yàn)（具體實(shí)驗(yàn)不提，可自行查閱）發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)完美光滑的表面運(yùn)動(dòng)的物體，會(huì)保持這個(gè)運(yùn)動(dòng)的“慣性”，除非有外力阻止這個(gè)慣性。其實(shí)就是牛頓第一定律（任何一個(gè)物體在不受外力或受平衡力的作用時(shí)，總是保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。原來(lái)靜止的物體具有保持靜止的性質(zhì)，原來(lái)運(yùn)動(dòng)的物體具有保持運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，因此我們將物體具有保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的性質(zhì)稱為慣性。一切物體都具有慣性，慣性是物體的物理屬性。）其實(shí)伽利略在牛頓之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，但在伽利略這里，表述得還不夠完整，因此這個(gè)定律的發(fā)現(xiàn)權(quán)歸牛頓所有。

什么是慣性系？就是靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。

那伽利略相對(duì)性原理又是什么意思？這也得益于伽利略的思維實(shí)驗(yàn)，我們可以想象，你在一艘船上，如果你不往窗外看的話，那么這艘船是靜止的還是勻速直線運(yùn)動(dòng)中的，你在這艘船里面，是完全感覺不出來(lái)的。那也就是說(shuō)，在一艘靜止或是勻速直線運(yùn)動(dòng)的船上，力學(xué)定律都是不變的，你做什么實(shí)驗(yàn)，看見任何物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和狀態(tài)，都是一樣的。

2.伽利略變換式

一道初中數(shù)學(xué)應(yīng)用題：小明和小紅各自代表一個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，且初始位置相同，有一只大懶貓?jiān)谛∶鞯淖鴺?biāo)系中的坐標(biāo)x處睡大覺，此時(shí)小紅以速度v沿著X軸方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，t時(shí)間以后，設(shè)大懶貓?jiān)谛〖t的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為x＇（注意這個(gè)是x一撇），求x和x之間的關(guān)系式以及小明的時(shí)間t和小紅的時(shí)間t＇之間的關(guān)系式。

如圖所示：

很簡(jiǎn)單，答案就是

x= x＇+vt，t= t＇。所有的力學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)非就是測(cè)量各種各樣的坐標(biāo)和時(shí)間的數(shù)據(jù)，然后從這些雜亂的數(shù)據(jù)中尋找普遍規(guī)律，從而總結(jié)出力學(xué)定律。那么在不同坐標(biāo)系之間做的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，如何變換?。亢芎?jiǎn)單，只要知道二者之間的相對(duì)速度，然后通過(guò)伽利略變換，就可以把坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，而無(wú)論如何變換坐標(biāo)，本質(zhì)上相互之間的關(guān)系，即規(guī)律是不變，那么，伽利略變化式最偉大的意義就是，通過(guò)純數(shù)學(xué)方法，證明了由思維實(shí)驗(yàn)得出的伽利略相對(duì)性原理。

3.牛頓的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)觀

前面我們說(shuō)的是坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，那么基于伽利略變換式的基礎(chǔ)上，不同參考系下，物體的速度之間的關(guān)系是什么？是否可以相互轉(zhuǎn)換？答案是，可以。

前面提過(guò)伽利略變換：x= x＇+vt，t= t＇，設(shè)x坐標(biāo)的速度為w，x＇坐標(biāo)速度為u，那么x=wt，x＇= u t＇，則伽利略變換可以變?yōu)閣t=u t＇+vt，t= t＇，兩邊消掉t和t＇，得出w=u+v（注意速度是一個(gè)矢量，需要根據(jù)方向決定加或減），也就是我們中學(xué)物理上得出的相對(duì)速度公式。舉個(gè)例子：你在船上，我在岸上，船相對(duì)岸的速度為10米/秒，你在船上與船同方向奔跑，相對(duì)船的速度為2米/秒，請(qǐng)問你在我眼里速度是多少？很簡(jiǎn)單也很直觀，就是12米/秒，你覺得簡(jiǎn)單，那是因?yàn)槟愕挠^念已經(jīng)形成，而記住了就是這個(gè)道理，但是為什么？那么原因就在相對(duì)速度公式這里。

4.牛頓的絕對(duì)空間觀

前面我們注意到了一個(gè)問題，參考系取決于觀察者，那么牛頓要問，空間本身，可不可以也是一個(gè)參考系呢？他提出：“請(qǐng)你們想象一下，宇宙中充滿了空間，宇宙延伸到哪里，空間就延伸到哪里。這個(gè)巨大的空間本身代表的就是宇宙的母體，處處均勻，永不移動(dòng)，所有的東西，天上的星星，地上的螻蟻，我們所居住的地球都在這個(gè)空間中運(yùn)動(dòng)。如果把空間本身看作是一個(gè)參考系，這個(gè)參考系就是一個(gè)‘絕對(duì)空間’，所有物體在這個(gè)參考系中的運(yùn)動(dòng)速度就是一種‘絕對(duì)速度’，它們就可以比較快慢了，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，原來(lái)地球的絕對(duì)運(yùn)行速度比太陽(yáng)的絕對(duì)速度要快。”

你別說(shuō)，這還不是隨便想想的，為了證明這個(gè)想法，牛頓設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的思維實(shí)驗(yàn)，那就是他的“水桶實(shí)驗(yàn)”，大概意思就是，一桶水，旋轉(zhuǎn)起來(lái)后里面的水也會(huì)跟著桶一起旋轉(zhuǎn)，對(duì)于桶外的我們，就會(huì)看見水和桶一起在旋轉(zhuǎn)，而且水的中心向下凹陷，那么如果你在桶壁上，你看見的水是靜止的，但是，水的中心卻也是凹陷下去。于是，牛頓得出了結(jié)論，宇宙之中，存在著靜止不動(dòng)的絕對(duì)空間，水的旋轉(zhuǎn)，就是相對(duì)于這個(gè)絕對(duì)空間做了旋轉(zhuǎn)，否則無(wú)法解釋水的中心凹陷下去這個(gè)事實(shí)。

但其實(shí)水的凹陷的本質(zhì)并不是因?yàn)榇嬖诮^對(duì)空間，而是因?yàn)橥庋氐乃肿邮艿酵氨谒o予的向心力而發(fā)生擠壓，正常來(lái)講，是會(huì)向上或下兩個(gè)方向飛走，但因桶有底，它下不去，只能往上走，直到向上的力與地球引力相當(dāng)，它才維持在一個(gè)高度，那么相對(duì)而言，水的中心就呈現(xiàn)了凹陷。但因?yàn)槔吓?shí)在太牛，幾乎沒有人要想到去質(zhì)疑他，因此直到愛因斯坦，人們都一直秉持著絕對(duì)時(shí)空觀（其實(shí)現(xiàn)在絕大多數(shù)大眾也還是這個(gè)概念）。

由此，前面講過(guò)，在牛頓看來(lái)，時(shí)間與我們無(wú)關(guān)，它是上帝定下來(lái)的均勻變化不隨任何人或事改變的東西，而空間，則是一個(gè)固定不變的看不見摸不著的一個(gè)空框，無(wú)邊無(wú)際。

空間我們先不談，先簡(jiǎn)單談?wù)剷r(shí)間，我們注意到了絕對(duì)時(shí)空觀的一個(gè)大前提，就是伽利略變換里面的t= t＇，也就是說(shuō)，不管你在何時(shí)何地，時(shí)間都是一個(gè)常量，而我們都知道，物體的速度、時(shí)間和距離之間的關(guān)系是s=vt，這三者之間，只有時(shí)間t，不管在任何參照系都是相同的，所以我們的觀念就是，你的速度快，意味著經(jīng)過(guò)的距離長(zhǎng)，反之經(jīng)過(guò)了短距離，意味著你的速度變慢了，我為什么講這么多廢話？因?yàn)檫@牽扯到相對(duì)論的核心觀念，后面會(huì)詳述，這里簡(jiǎn)單說(shuō)一下，當(dāng)光速是常量作為前提之時(shí)，由于s=ct，而在不同的參考系中距離如何變化，c都不變，那這個(gè)公式豈不是出了問題？no，沒有問題，你感覺有問題，對(duì)不起，是因?yàn)槟愕挠^念，還在絕對(duì)時(shí)空觀里，因?yàn)槟闾烊挥X得時(shí)間t，不可能改變，但愛因斯坦告訴你，同學(xué)， t為常量為前提，只是伽利略和牛頓這兩個(gè)老頭告訴你的固有觀念，當(dāng)然它在低速宏觀視野里，也確實(shí)符合你的常識(shí)，但如果你不那么執(zhí)著的話，換一個(gè)角度，接受光的速度不變這個(gè)事實(shí)，它成為常量，那么時(shí)間不是一成不變的了，就可以成為變量。怎么樣？有沒有感覺背脊發(fā)涼？有一種顛覆三觀的感覺？用作者的話說(shuō)就是，愛因斯坦用這把小小的木劍，一下子把伽利略變換這把倚天寶劍生生斬成了兩截。

三、光

非常抱歉，前面說(shuō)了這么多，還是沒有開始講相對(duì)論，但在這之前對(duì)伽利略和牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀有一個(gè)全面的了解，還是很有必要的，從現(xiàn)在開始，正式進(jìn)入相對(duì)論的世界。我們來(lái)先聊一聊，光。

你一定又感覺到很奇怪了，光為什么那么重要？它和時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)有什么關(guān)系？為什么不是別的東西？而一定是光？注意了，不因?yàn)閯e的，只因?yàn)楣?，是我們?nèi)祟?，賴于認(rèn)識(shí)世界最重要（沒有之一）的工具，沒有光，世界將一片黑暗，或者反過(guò)來(lái)講，一個(gè)沒有眼睛的物種，世界對(duì)于它而言，是沒有概念的，它沒有什么時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)的概念，你會(huì)質(zhì)疑，不對(duì)啊，瞎子也不至于如此，那是因?yàn)?，他可以獲得那些不瞎的其他人類的知識(shí)，而如果人類一開始就是瞎的，可能能夠生存，但一定不可能是今天這個(gè)狀態(tài)。

1.測(cè)量光速

大家都知道光是有速度的，是30萬(wàn)千米/秒，但這個(gè)認(rèn)知不是一開始就有的，由于光速實(shí)在太快，人們都天然地認(rèn)為，光的速度是無(wú)限的，它想從a點(diǎn)到b點(diǎn)，是不需要時(shí)間的，也就是說(shuō)，光是無(wú)視空間的。但是，還是有智者對(duì)這個(gè)問題提出了質(zhì)疑，那就是伽利略，沒錯(cuò)，又是伽利略這個(gè)老頭。他是從哲學(xué)的角度提出了疑問，他想，上帝既然創(chuàng)造了時(shí)間與空間，就不可能再創(chuàng)造出一個(gè)無(wú)視時(shí)間與空間的東西，所以光一定有速度。這是一個(gè)顛覆性思想，從他開始，一批又一批的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家和天然學(xué)家投入測(cè)量光速的隊(duì)伍中，不一一列舉，最出名的有兩個(gè)，一個(gè)是天文學(xué)家羅默，通過(guò)對(duì)木衛(wèi)的周期性觀測(cè)，他發(fā)覺木星在近地點(diǎn)與遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)，木星“月食”的時(shí)間間隔出現(xiàn)了差異，在遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)間隔要比近地點(diǎn)的長(zhǎng)，你想啊，如果光速度無(wú)限，那么不會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，最可能的情況是，光在遠(yuǎn)地點(diǎn)因?yàn)榕艿木嚯x長(zhǎng)而耽擱了時(shí)間，因此造成在我們地球上看到的木星“月食”間隔時(shí)間更長(zhǎng)了。通過(guò)測(cè)量，他計(jì)算出了光速，但由于此實(shí)驗(yàn)過(guò)于宏觀，不夠精確，結(jié)果與真實(shí)值有一定差異，但這只是量的區(qū)別，從質(zhì)上，已經(jīng)證明了光速的存在。

第二個(gè)是菲索的旋轉(zhuǎn)齒輪法，如圖所示：

光從第一個(gè)孔射入，經(jīng)過(guò)鏡子反射后回到原點(diǎn)，這段距離一定是需要時(shí)間的，我們只需要轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，最終會(huì)出現(xiàn)一個(gè)景象，光從第一個(gè)孔射入后，隨著齒輪轉(zhuǎn)速的提高，在某一時(shí)刻，光被擋住了（被兩個(gè)齒輪孔之間的面板阻擋了射回的光線），繼續(xù)加速，某一時(shí)刻，光又出現(xiàn)了（射回的光線從下一個(gè)孔里射了回來(lái)），那么ok，一去一回的距離是已知的，通過(guò)轉(zhuǎn)速可以得出所用的時(shí)間，距離除以時(shí)間得出光速，這個(gè)測(cè)量所得，非常精確，而且充滿了智慧（在有限空間的實(shí)驗(yàn)室里測(cè)量速度的極限-光速）。

2.光的本質(zhì)

英國(guó)著名物理學(xué)家麥克斯韋出版了物理學(xué)經(jīng)典著作《論電與磁》,這是一部足以媲美牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的巨著,麥克斯韋提出了著名的“麥克斯韋方程組”,它是數(shù)學(xué)美的典范,無(wú)數(shù)的科學(xué)家認(rèn)為,單從它的數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式上的完美上看,這個(gè)方程組就不可能是錯(cuò)的,事實(shí)上這個(gè)方程組直到目前,仍然保留了它最原初的樣子。根據(jù)方程組,當(dāng)時(shí)的麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在,他認(rèn)為“隨著時(shí)間變化的電場(chǎng)產(chǎn)生了磁場(chǎng),反之亦然。一個(gè)振蕩的電場(chǎng)能夠產(chǎn)生振蕩的磁場(chǎng),而一個(gè)振蕩的磁場(chǎng)又能夠產(chǎn)生振蕩的磁場(chǎng),循環(huán)往復(fù),如水中的漣漪,電磁場(chǎng)的變化會(huì)像水波一樣像擴(kuò)散出去,這種電磁場(chǎng)我稱之為-電磁波?！边@個(gè)預(yù)言在后來(lái)得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。而且既然電磁是一種波,那么傳播速度就可以通過(guò)波長(zhǎng)乘以頻率得出,經(jīng)計(jì)算電磁波傳播速度為30萬(wàn)千米/秒,這個(gè)速度與光速一致,科學(xué)界循著這條線索,通過(guò)各種實(shí)驗(yàn),證明了光確實(shí)是一種電磁波。

這里稍稍引申一點(diǎn)小知識(shí)，光是一種電磁波，而電磁波不僅僅只是光，人類的眼睛為什么可以看見光而看不見其他的電磁波？那是因?yàn)樘?yáng)在光這個(gè)區(qū)段的光譜所給予地球的電磁波，時(shí)間最長(zhǎng)也能量最強(qiáng)，因此，地球生物在物種進(jìn)化的過(guò)程之中，逐漸發(fā)展出能夠感應(yīng)光的器官-眼睛，因此光的專業(yè)名詞也叫可見光。而如果太陽(yáng)給予地球最多的是x射線，那么我們今天人類眼里的世界，很可能就是醫(yī)院ct里的所呈現(xiàn)的樣子。

0k,光是電磁波,這個(gè)沒問題,但是波這個(gè)東西,就像水波一樣,它需要介質(zhì)來(lái)傳播,但是光在真空里也可以傳播,這怎么回事?請(qǐng)回憶一下我之前說(shuō)的牛頓的絕對(duì)空間,但我當(dāng)時(shí)沒有講，牛頓認(rèn)為，這個(gè)絕對(duì)的空間之中,并非什么也沒有,而是充斥著一種叫做以太的東西。那么按照這個(gè)思路,也就是說(shuō),光在以太中的傳播速度是30萬(wàn)千米/秒,接下來(lái)只要證明以太存在就可以了,怎么證明?你想想,以太是存在而且是固定不動(dòng)的,那么如果我們對(duì)著以太運(yùn)動(dòng),就會(huì)產(chǎn)生“以太風(fēng)”(以太相對(duì)我們迎面撲來(lái))。那此時(shí)用光朝著“逆風(fēng)”或“順風(fēng)”方向,如果得出的速度不一樣,就可以證明以太是存在的。

3.最成功的失敗

為了證明以太的存在,科學(xué)史上有一個(gè)著名“mm實(shí)驗(yàn)”,這個(gè)實(shí)驗(yàn),如圖所示:

實(shí)驗(yàn)的原理就是,利用光的干涉現(xiàn)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置將一束光分成正反兩個(gè)方向光線,由于地球是在運(yùn)動(dòng)中的，如果存在以太,就會(huì)產(chǎn)生以臺(tái)風(fēng)，那么這兩束順風(fēng)與逆風(fēng)的光線一定速度有區(qū)別,而速度有區(qū)別,這兩束光線的干涉條紋就一定會(huì)與同樣速度的兩束光線產(chǎn)生的干涉條紋有所區(qū)別。而讓科學(xué)界震驚的是,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,干涉條紋沒有變化。但是,牛頓的威嚴(yán)難以撼動(dòng),人們依然選擇憑借各種理由去解釋這個(gè)結(jié)果,但沒有人想過(guò)去否定牛頓的理論本身,直到愛因斯坦的出現(xiàn)。

四、狹義相對(duì)論

在狹義相對(duì)論誕生之前,著名的物理學(xué)家開爾文男爵,在1900年發(fā)表了演講,說(shuō)物理學(xué)這座大廈已經(jīng)基本建成,但仍然存有兩朵烏云,一朵就是“mm實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果無(wú)法解釋,另一朵是關(guān)于黑體輻射的,這兩朵烏云,導(dǎo)致科學(xué)界的頰覆性革命,一個(gè)就是相對(duì)論的誕生,一個(gè)就是與相對(duì)論比肩的量子力學(xué)的誕生。

1.光速不變?cè)?/p>

前面我們已經(jīng)講了“mm實(shí)驗(yàn)”,它的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是沒有觀測(cè)到以太。那么存在兩種情況,一 ,假設(shè)以太存在,假設(shè)存在其他原因造成無(wú)法監(jiān)測(cè)到以太，所以實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)不到以太；二，假設(shè)以太不存在,所以實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)不到以太。根據(jù)奧卡姆剃刀原理、第二種情況假設(shè)更少,很可能更接近事實(shí)。那么以太不存在,很直接的又證明了光速在真空中速度不變，無(wú)論光源以什么速度運(yùn)動(dòng)，都不會(huì)改變光本身的速度。

感覺非常難以理解，對(duì)嗎？我們前面講牛頓的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)觀的時(shí)侯知道，速度沒有絕對(duì),只是相對(duì),也就是說(shuō),如果光源速度為v，光本身速度為c，那么測(cè)量得出來(lái)的光速就應(yīng)該是v+c。但“mm實(shí)驗(yàn)”又證明光速不變,麥克斯韋方程組也證明了電磁波的速度取決于波長(zhǎng)和頻率,與其他變量無(wú)關(guān)。那我們?yōu)槭裁床豢梢灾苯咏邮苓@個(gè)事實(shí)?而一定要堅(jiān)持牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的思維?絕對(duì)時(shí)空觀的大前提是時(shí)間在不同參考系下是常量,所以物體運(yùn)動(dòng)速度是相對(duì)的,但是電磁波卻不同，它并不等同于物體的運(yùn)動(dòng)，而是像水波一樣的蕩漾。如果水波你不理解。我再舉個(gè)例子,多米諾骨牌倒塌的速度,就與參考系沒有任何關(guān)系,你想,一個(gè)多米諾骨牌,無(wú)論它在一個(gè)火車或是在靜止的地面上，它倒下的速度都是一樣的,這和光的速度是一個(gè)道理。因?yàn)楣獗旧硎请姶挪ǎ膫鞑ㄋ俣热Q于電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間相互轉(zhuǎn)化的速度。那么愛因斯坦就先認(rèn)定光速是不變的,以此作為前提，往前推一推看看會(huì)發(fā)生什么？

2.物理規(guī)律不變?cè)?/p>

前面我們說(shuō)過(guò)伽利略的相對(duì)性原理:在任何慣性系中,力學(xué)規(guī)律不變。愛因斯坦就想,為什么僅僅只是力學(xué)規(guī)律呢?伽利略當(dāng)時(shí)是因?yàn)樗谎芯苛W(xué),并沒有研究其他方面的物理學(xué)專業(yè),那我們可以想一下,難道僅限于力學(xué)?熱力學(xué)呢?光學(xué)呢?電磁學(xué)呢?難道上帝只偏愛力學(xué)?不可能!如果這樣,那么其他的物理規(guī)律則缺乏法律效應(yīng),而你在勻速直線運(yùn)動(dòng)的船上和我在岸邊做出的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,就是完全不同的,那物理學(xué)還有何意義?愛因斯坦隨即做出一個(gè)假設(shè):在任何慣性系中,物理學(xué)規(guī)律不變。自此,相對(duì)論的兩大假設(shè)前提就出來(lái)了,1.光速不變?cè)恚赫婵罩泄馑俦３植蛔?2相對(duì)性原理:在任何慣性系中,物理學(xué)規(guī)律不變。你可不要小瞧這兩個(gè)假設(shè)前提,這可是相對(duì)論理論大廈的兩個(gè)基石,相對(duì)論就是基于這兩個(gè)假設(shè)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的。

你又要問了,就這么筒單？物理學(xué)就這樣天馬行空的隨便假設(shè)就行了?我現(xiàn)在可以非常明確的告訴你,就是如此,但并非天馬行空，更不是隨便，而是站在至少未被證偽的基礎(chǔ)上。我們的理論世界,就是基于假設(shè)為前提的,只要這個(gè)前提沒有被實(shí)驗(yàn)推翻,就可以成為合理的假設(shè),那為什么需要這個(gè)假設(shè)呢?因?yàn)檫@個(gè)假設(shè)可以推導(dǎo)出一套理論,我們開篇講過(guò),什么是一個(gè)好的科學(xué)理論?一個(gè)理論,可被證偽、可做出解釋、可預(yù)言,足夠優(yōu)美和簡(jiǎn)單(能夠用完美的數(shù)學(xué)表達(dá)),這就是一個(gè)好的科學(xué)理論,我甚至可以說(shuō),我們眼里的世界,從根本上來(lái)講,它就是一個(gè)假設(shè)的世界,而不存在一個(gè)真真切切不允許任何質(zhì)疑的可能性的所謂真理。

3.同時(shí)性的相對(duì)性

如果以上的內(nèi)容你還只是覺得小兒科的話，下面的內(nèi)容，應(yīng)該足夠燒腦，而我們也逐漸走進(jìn)相對(duì)論最為核心、艱深的部分。

書中說(shuō)了兩個(gè)例子，一個(gè)“環(huán)球列車謀殺案”故事，另一個(gè)是閃電打中路基后的光。書中的論述雖然很精彩，但是較為復(fù)雜，可能一下子還不一定看得明白，我試圖用我拙劣的文筆給你解釋清楚。

兩個(gè)例子看似不同，其實(shí)講的都是一個(gè)道理，當(dāng)在不同參考系下去看光本身的時(shí)候，時(shí)間這個(gè)東西，就變得很脆弱，不是一層不變的。第一個(gè)例子，如圖所示：

光源位于兩個(gè)人的中心處，當(dāng)觀察者在車內(nèi)部時(shí)，由于同處于一個(gè)參考系，光從中心處傳播到兩個(gè)人的距離相等，因此看到的是光同時(shí)到達(dá)兩人處。

但如果觀察者在車外，則是另一番景象，如圖所示：

由于列車正在運(yùn)行，在外面的觀察者看來(lái)，光到達(dá)車頭的人的距離，應(yīng)該要比到達(dá)車尾的人的距離要長(zhǎng)，而因?yàn)楣馑俨蛔儯ㄟ@一點(diǎn)非常重要），時(shí)間t=s/c,所以在外面的觀察者看來(lái)，光到達(dá)車頭的時(shí)間要比到達(dá)車尾的時(shí)間長(zhǎng)。

第二個(gè)例子，其實(shí)與第一個(gè)大同小異，

閃電同時(shí)擊中a，b兩點(diǎn)（也就是a，b兩點(diǎn)同時(shí)發(fā)出光），當(dāng)觀察者在地面上時(shí)，由于與a，b兩點(diǎn)所處同一參考系，因此看見光同時(shí)到達(dá)中心點(diǎn)。但當(dāng)觀察者在列車上（不與a，b兩點(diǎn)在同一參考系內(nèi)），由于列車正在運(yùn)行，朝著b點(diǎn)行駛，因此在他看來(lái)，b點(diǎn)的光傳播至他眼里的距離要比a點(diǎn)的短（因?yàn)榱熊嚤旧硪呀?jīng)在此過(guò)程中行駛了一段距離），因?yàn)闀r(shí)間t=s/c，所以b點(diǎn)的光更早于a點(diǎn)的光到達(dá)他眼里（b點(diǎn)光用時(shí)更短）。

環(huán)球列車謀殺案的例子是光源只有一個(gè)，在中間，到達(dá)兩端的時(shí)間因觀察者所處參考系不同而有差別。閃電的例子其實(shí)就是光源在兩端，同時(shí)發(fā)出光，但因觀察者所處不同參考系而看到光到達(dá)中心點(diǎn)的時(shí)間有差別。

這兩個(gè)思維實(shí)驗(yàn)，充分地證明了，當(dāng)光的速度是絕對(duì)的時(shí)候，時(shí)間才是相對(duì)的，當(dāng)然，這種情況是在參考系之間的相對(duì)速度足夠大，能夠進(jìn)入光速的同等量級(jí)的時(shí)候，我們才能夠感受得到。

4.時(shí)間會(huì)膨脹

什么是時(shí)間？當(dāng)我們?cè)噲D去定義時(shí)間的時(shí)候，你就會(huì)突然發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)很難通過(guò)自我思考去定義的東西，最后，我們總是不得不通過(guò)借助外界工具去衡量時(shí)間，才能夠擺脫我們對(duì)時(shí)間定義的邏輯怪圈。比如說(shuō)一個(gè)鐘擺，擺動(dòng)一個(gè)來(lái)回我們就認(rèn)為代表過(guò)去了一秒，現(xiàn)在我們通過(guò)一個(gè)超級(jí)思維實(shí)驗(yàn)，設(shè)想一個(gè)宇宙最精確的“光子鐘”，來(lái)看看，時(shí)間到底是什么，是不是一成不變的。

我們從圖里可以看到，光子鐘的原理就是，光子在兩面鏡子里上下反射，我們可以設(shè)一個(gè)光子上下彈射一個(gè)來(lái)回，我們計(jì)數(shù)一次，光子鐘滴答一下，時(shí)間為t（且不管這個(gè)時(shí)間具體是多少，意義不大），那么我們就要看了，觀察者在不同參考系之下，看見的光子鐘是一個(gè)什么情況？

當(dāng)觀察者與光子鐘同處于一個(gè)參考系時(shí)，都在地面上，那么我們看光子鐘就是平穩(wěn)精準(zhǔn)地運(yùn)行，沒有一絲一毫的問題，但是，如果此時(shí)我們眼前有一艘宇宙飛船經(jīng)過(guò)，船上有一個(gè)和我們地面的一模一樣的光子鐘，猜猜看將看見什么景象？

可以理解這幅圖嗎？由于宇宙飛船正在航行，在地面的我們看來(lái)，船里的光子是經(jīng)過(guò)一個(gè)折線的（否則就會(huì)跑出光子鐘外面），你也可以想象我們?nèi)绻诼愤吙匆粋€(gè)在火車上一個(gè)人在手中上下玩耍一個(gè)小球，對(duì)于他本人而言，小球是直上直下的，但對(duì)于車外靜止的我們，看見的小球是呈一個(gè)曲線的，否則因?yàn)檐嚿系娜嗽趧?dòng)，不可能小球仍然落回他的手里，這其實(shí)和光子鐘一個(gè)道理。

說(shuō)回光子鐘，那么我們就要看了，對(duì)于地面上的我們來(lái)講，地面的光子鐘的光子，與宇宙飛船里的光子，所走過(guò)的距離有差異，宇宙飛船里的光子走過(guò)的距離更長(zhǎng)。但因?yàn)楣馑俸愣ú蛔?，在我們看?lái)，宇宙飛船上的光子用的時(shí)間更長(zhǎng)，那也就意味著，當(dāng)我們的光子鐘已經(jīng)滴答一次的時(shí)候，我們看見宇宙飛船上的光子鐘還沒有走完一個(gè)來(lái)回，尚未滴答一次，那也就是說(shuō)，在我們眼里，宇宙飛船里的光子鐘，變慢了！

你會(huì)不會(huì)說(shuō)，你這個(gè)光子鐘明明就是為了你的光而設(shè)置的，如果是一個(gè)卡西歐表的話，你這個(gè)邏輯怎么解釋？那我們可以講，你可以分別在地上和宇宙飛船上各放一塊卡西歐和光子鐘，把時(shí)間對(duì)調(diào)一致，那也就是說(shuō)，當(dāng)我們看見宇宙飛船上的光子鐘變慢時(shí)，由于船上的卡西歐與飛船上的光子鐘時(shí)間是一致的，所以我們認(rèn)為，船上的卡西歐表時(shí)間也一樣變慢了。

光子鐘這個(gè)思維實(shí)驗(yàn)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有如此簡(jiǎn)單，通過(guò)對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的量化處理和數(shù)學(xué)分析，愛因斯坦計(jì)算出了著名的相對(duì)論因子，下面簡(jiǎn)單分析一下是如何推導(dǎo)的（我相信有初中幾何知識(shí)的人應(yīng)該都可以看得懂），如圖所示：

我們前面已經(jīng)講了，在我們看來(lái)，飛船上的光子鐘的光子是呈斜線運(yùn)行，vt＇就是飛船在我們眼里飛行的距離，ct＇是飛船內(nèi)光子鐘的光子在我們眼里經(jīng)過(guò)的距離，ct是飛船內(nèi)光子經(jīng)過(guò)的距離，怎么理解？vt＇和ct＇比較好理解，ct是什么意思？你想，在地面上觀察者看來(lái)飛船上的光子經(jīng)過(guò)ct＇這段距離的時(shí)候，其實(shí)也就是意味著在飛船內(nèi)部，光子從下鏡面走到了上鏡面，也就是說(shuō)它經(jīng)過(guò)了ct。

因此，按照?qǐng)D中表達(dá)的就是勾股定理：（ct＇）2＝（ct）2+（vt＇）2。最終得出的是：

看見這個(gè)式子，你能夠想到什么？請(qǐng)你張大雙眼，注視這個(gè)式子，因?yàn)檫@個(gè)式子意味著伽利略和牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀的崩塌，而這個(gè)系數(shù)

就是著名的相對(duì)論因子。你如果還記得伽利略變換式里面包含了一個(gè)式子，就是t= t＇，那也就是說(shuō)，當(dāng)不同參考系的相對(duì)速度v遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于c時(shí)，也就是處于低速狀態(tài)下時(shí)，相對(duì)論變換中的時(shí)間關(guān)系就是t= t＇，此時(shí)絕對(duì)時(shí)空觀是適用的，而當(dāng)v逐漸接近于光速，式子將發(fā)生變化，t＇會(huì)變慢，也就是時(shí)間發(fā)生了膨脹。但是，請(qǐng)你注意，也不要得意得太早，因?yàn)槲覀冎?，物體的速度是相對(duì)的，宇宙飛船在我們看來(lái)，速度為v，但在他看來(lái)，我們的速度也是v，所以說(shuō)，我們看他的時(shí)間，與他看我們的時(shí)間，都是在變慢，因此，別指望通過(guò)這個(gè)方式讓你長(zhǎng)生不老，因?yàn)槟闫鋵?shí)并沒有任何感覺，只不過(guò)是在其他參考系那里，你的動(dòng)作變慢了而已，對(duì)你自己而言，你的一天就還是一天，不多一秒也不少一秒。

5.空間會(huì)壓縮

這個(gè)式子里的t和t＇是時(shí)長(zhǎng)，而如果通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算，把兩個(gè)參考系建立坐標(biāo)系，以時(shí)刻點(diǎn)的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則得出最為完美的相對(duì)論變換（也叫洛倫茲變換，但洛倫茲只是純數(shù)學(xué)推導(dǎo)，卻不承認(rèn)其物理意義），即

。

我們其實(shí)可以看見，因?yàn)槭阶永锏膞是點(diǎn)坐標(biāo)，長(zhǎng)度其實(shí)就是兩個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)的差值L=x1-x2，經(jīng)過(guò)公式推導(dǎo)，最后得出

也就是另外一個(gè)驚人的事實(shí)，當(dāng)相對(duì)速度接近光速之時(shí)，空間，會(huì)壓縮！

說(shuō)到此，愛因斯坦狹義相對(duì)論的基本框架已經(jīng)形成，接下來(lái)就是一系列的精深數(shù)學(xué)推導(dǎo)，不再詳敘，簡(jiǎn)單說(shuō)一下

有速度合成公式：

；

質(zhì)速關(guān)系式：

；

最著名的質(zhì)能方程：

狹義相對(duì)論整理和小結(jié)：

愛因斯坦研究得出“光速恒定不變”和“慣性系中物理規(guī)律不變”兩條基本原理。并通過(guò)進(jìn)一步推導(dǎo)，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1、時(shí)間不是絕對(duì)的，每個(gè)參考系都有自己的時(shí)間（同時(shí)性的相對(duì)性）。

2、時(shí)間會(huì)膨脹（變慢）。隨著速度不斷增加，時(shí)間會(huì)變得越來(lái)越慢，甚至停止。

3、空間會(huì)收縮（變短）?？臻g也是相對(duì)的，速度會(huì)造成物體長(zhǎng)度的收縮，速度越快物體長(zhǎng)度變得越短。

4、速度的合成。光速的一半加光速的一半不等于光速。物體運(yùn)動(dòng)速度只能無(wú)限接近光速，不可能達(dá)到或者超過(guò)光速。能量和信息的傳遞也無(wú)法超過(guò)光速。

5、質(zhì)速關(guān)系式。物體的質(zhì)量也是相對(duì)的，物體運(yùn)動(dòng)速度越快質(zhì)量越大。物體運(yùn)動(dòng)速度無(wú)限接近光速時(shí)，質(zhì)量會(huì)無(wú)比巨大，足以擊毀一顆恒星。

6、質(zhì)能轉(zhuǎn)換。也就是相對(duì)論最著名的公式：E=mc2 從而揭示了質(zhì)量和能量也是可以相互轉(zhuǎn)換的。這也奠定了原子能的理論基礎(chǔ)。

狹義相對(duì)論帶來(lái)的震撼是打破了當(dāng)時(shí)人們固有的絕對(duì)時(shí)空觀念，從此時(shí)間和空間甚至是質(zhì)量和能量再也不是絕對(duì)的，都變成了相對(duì)的。這一切都徹底顛覆了人們的固有思想，從而開啟了一個(gè)新的時(shí)代。

五、廣義相對(duì)論

下面的內(nèi)容開始燒腦了，如果說(shuō)狹義相對(duì)論你還可以接受的話，那么廣義相對(duì)論一定會(huì)讓你對(duì)世界的認(rèn)識(shí)上一個(gè)新的臺(tái)階。相對(duì)論為什么要分成狹義和廣義呢？其實(shí)，狹義相對(duì)論是英文Special Relativity 也就是特殊相對(duì)論，而廣義相對(duì)論則是 General Relativity 也就是普遍相對(duì)論。狹義相對(duì)論特殊在什么地方呢？有兩個(gè)地方，一個(gè)是狹義相對(duì)論公式所能處理的運(yùn)動(dòng)全都是勻速直線運(yùn)動(dòng)，也就是“慣性系”。第二個(gè)，狹義相對(duì)論沒有把萬(wàn)有引力，這個(gè)宇宙中普遍存在的研究對(duì)象納入到理論中。

經(jīng)過(guò)了十年的漫長(zhǎng)努力，愛因斯坦終于丟掉了慣性系，搞定了引力，把特殊相對(duì)論升級(jí)為了普遍相對(duì)論，從此，相對(duì)論就可以適用于一切時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)和引力這四者的相互關(guān)系。更加神奇的是，它幾乎是愛因斯坦一個(gè)人潛心修煉的成果，如果沒有愛因斯坦，我們可能今天還在等待這個(gè)理論。在一本美國(guó)人寫的科學(xué)史書中，廣義相對(duì)論被評(píng)價(jià)為“這無(wú)疑是人類歷史上最高的智力成就”，它也被眾多物理學(xué)家稱為“世界上最美的理論”。

我們就要問一個(gè)問題，慣性系與非慣性系的本質(zhì)區(qū)別在于什么呢？慣性系其實(shí)就是勻速直線運(yùn)動(dòng)，非慣性系就是非勻速直線運(yùn)動(dòng)，那么這之間差了個(gè)什么東西？就是加速度。

1.等效原理

書中通過(guò)“死亡電梯”的思維實(shí)驗(yàn),解釋了一個(gè)重要問題,那就是引力和加速度其實(shí)是等效的,你可以設(shè)想,自己在一個(gè)封閉的電梯里,兩種情況一種是電梯靜在地球上,與你在失重的太空中,但電梯朝上以加速度為g(地球重力加速度)向上運(yùn)行,在電梯里的你,能夠感覺出區(qū)別嗎?另一種是,你靜止在失重的太空里,與你和電梯一起在地球上做自由落體運(yùn)動(dòng),在電梯里的你,能夠感覺出區(qū)別嗎?答案是,沒有區(qū)別。在這兩種情況里,你在太空里的感覺,其實(shí)與在地球上是一樣的。我們前面講過(guò),狹義相對(duì)論解釋的只是慣性系下的物理規(guī)律,慣性系也就是不做加速運(yùn)動(dòng)(沒有加速度),那其實(shí)所謂的非慣性系,實(shí)際可以理解為在引力狀態(tài)下的慣性系,如前所言,你在地球上靜止(地球萬(wàn)有引力狀態(tài)下的慣性系),其實(shí)與在太空中做以g(地球重力加速度)為加速度加速運(yùn)行,本質(zhì)上沒有任何區(qū)別。那也就是說(shuō),任何非慣性系(以某一加速度加速運(yùn)動(dòng)),我都可以把它同在以該加速度等效的引力下的慣性系作為考慮,反過(guò)來(lái)講,一個(gè)在引力中的慣性系,我們也可以把它等同于正在以該引力等效的加速度做加速運(yùn)行。

說(shuō)到這個(gè)問題,就非常有趣了,比如我們?cè)陂_車,猛踩油門的時(shí)候,你會(huì)感覺到有推背感,也就是感覺被吸附在座位上,現(xiàn)在你想想自己正躺在床上,你是被重力吸附在床上的,那么你完全可以想象,這其實(shí)就跟你和地球一起朝你的上方做加速度為g的加速運(yùn)動(dòng),沒有任何區(qū)別,它們?cè)谖锢砩鲜峭耆刃У摹Ｔ俦热?你在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)（勻速圓周運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上也是加速運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗俣仁鞘噶?方向變化也是在變化),而當(dāng)你處于勻速圓周運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)內(nèi)部時(shí),你感覺和向心力相同的引力作用下的靜止?fàn)顟B(tài)是一樣的、而且,所謂的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)并不存在，所謂運(yùn)動(dòng),都只是相對(duì)而言,對(duì)我們來(lái)說(shuō),地球是靜止的,對(duì)其他星體來(lái)說(shuō),地球是運(yùn)動(dòng)的(至于呈現(xiàn)什么樣的運(yùn)動(dòng)軌跡,則完全取決于觀察者處在哪個(gè)參考系里,目前我們對(duì)地球運(yùn)動(dòng)的軌跡模型,是基于太陽(yáng)作為中心構(gòu)造的。

2.光會(huì)彎曲

書中電梯的例子太過(guò)于復(fù)雜,不作詳論。簡(jiǎn)單解釋下，其實(shí)和之前講狹義相對(duì)論時(shí)的光子鐘大同小異,即當(dāng)光源對(duì)于其他參考系而言正在運(yùn)動(dòng)時(shí),光本身在外參考系的觀察者看來(lái),是呈曲線運(yùn)行的,那么我們又知道,當(dāng)我們身處于參考系內(nèi)部之時(shí),什么樣的情況會(huì)知道自己正在或是當(dāng)做正在運(yùn)動(dòng)?是加速或者受到引力(此二者是完全等效的),那也就是說(shuō),當(dāng)一束光經(jīng)過(guò)列力場(chǎng)時(shí),我們可以假設(shè)引力場(chǎng)本身相對(duì)于這束光正在加速運(yùn)動(dòng),所以,在引力場(chǎng)內(nèi)的參考系的觀察者看來(lái),光也是呈曲線運(yùn)行的（引力越大越明顯,因?yàn)榧铀俣仍酱?。

3.時(shí)空彎曲

接下來(lái)我們進(jìn)入一個(gè)思維實(shí)驗(yàn)"太空?qǐng)A盤”。簡(jiǎn)單介紹下，我們?cè)O(shè)想在太空中(沒有引力)放置一個(gè)大圓盤,在中心處一個(gè)人，我們稱之為a,圓盤壁上一個(gè)人,稱之為b,然后使其旋轉(zhuǎn)起來(lái),這時(shí)候圓盤中心的人沒有運(yùn)動(dòng),因此沒有任何感覺,但b明顯感覺到了圓盤璧給予他的吸附力,就好像受到了引力一樣。我們前面說(shuō)過(guò),由于勻速圓周運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上也是加速運(yùn)動(dòng)(線速度方向在不斷變化),根據(jù)狹義相對(duì)論的結(jié)論,相對(duì)a來(lái)說(shuō),圓盤b有線性速度,因此b比a的時(shí)間膨脹(變慢)了,但因?yàn)閎本身是感覺不到自己正在運(yùn)動(dòng)(就好比我們?cè)诘厍蛏?,他只能感受到引力,因此,從本質(zhì)上講,我們認(rèn)為,是引力導(dǎo)致了時(shí)間的膨脹,而且,離圓盤的中心越遠(yuǎn),受到的向心力(引力)越大,線速度越大,時(shí)聞膨脹得越厲害。我們?nèi)绻鲆粋€(gè)直角坐標(biāo)系,把X軸當(dāng)作離圓盤中心距離的變化，Y軸當(dāng)作時(shí)間變慢的幅度大小，在這個(gè)思維實(shí)驗(yàn)中，時(shí)間的圖形就是一個(gè)拋物線，因此從這個(gè)角度來(lái)看，時(shí)間在引力作用下彎曲了。

再來(lái)說(shuō)空間，同樣，b相對(duì)a作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此，根據(jù)狹義相對(duì)論的結(jié)論，在a看來(lái)，b的長(zhǎng)度比之前變短了，但b本身感覺不到運(yùn)動(dòng)，而只是感覺到引力，因此引力導(dǎo)致了空間的彎曲。

根據(jù)這個(gè)概念，我們可以談一談著名的“雙生子佯謬”，有一對(duì)孿生兄弟，哥哥跨上一宇宙飛船作長(zhǎng)程太空旅行，而弟弟則留在地球。結(jié)果當(dāng)旅行者回到地球后，請(qǐng)問，哪個(gè)更年輕？按照狹義相對(duì)論的原理，哥哥相對(duì)弟弟在運(yùn)動(dòng)，因此時(shí)間變慢了，但對(duì)哥哥而言，弟弟也是相對(duì)自己遠(yuǎn)去，時(shí)間也變慢了。所以，如果是用狹義相對(duì)論原理，無(wú)法做出解釋，但是我們現(xiàn)在知道廣義相對(duì)論原理，即引力（加速度）導(dǎo)致時(shí)間變慢，那么你想，哥哥的宇宙飛船如果一直在朝遠(yuǎn)處航行下去，那么兄弟倆的時(shí)間是一樣的，只不過(guò)相互覺得對(duì)方變年輕而已，但是，請(qǐng)注意，哥哥如果要回到地球，一定要在某一處調(diào)頭，調(diào)頭意味著什么？減速到0，再反方向加速到一定速度，而在這個(gè)過(guò)程中，由于減速與加速（有了加速度，也就是受到了引力），他的時(shí)間將膨脹變慢，他的弟弟在此期間將迅速老去，換句話說(shuō)，當(dāng)哥哥掉頭之時(shí)，則是像弟弟的未來(lái)奔去，當(dāng)他回到地球之時(shí)，弟弟已經(jīng)比哥哥老了。這個(gè)解釋，后來(lái)得到了大量的實(shí)驗(yàn)證明。

我們還可以想到一個(gè)問題，地球是在自轉(zhuǎn)的，離地面越高，自轉(zhuǎn)的線速度就會(huì)越大，根據(jù)狹義相對(duì)論，速度越快，時(shí)間越慢，因此高山上的時(shí)鐘應(yīng)該比地面上的慢；但是根據(jù)廣義相對(duì)論，高山上的地球引力更小，所以高山上的時(shí)鐘又應(yīng)該比地面上的快。那么到底是狹義還是廣義相對(duì)論的效應(yīng)更顯著一點(diǎn)呢？根據(jù)精確的計(jì)算，是廣義相對(duì)論效應(yīng)更加顯著，高山上的時(shí)鐘走得比地面上的快。這也是得到實(shí)驗(yàn)支撐的。

4.引力本質(zhì)

前面我們說(shuō)過(guò)，引力和加速度等效，但是引力的本質(zhì)是什么呢？牛頓認(rèn)為，引力就像一根無(wú)形的線，牽連著宇宙中的所有物體，而質(zhì)量的變化將直接導(dǎo)致引力變化，那也就是說(shuō)，引力的作用是一瞬間，是可以忽視空間，甚至比光速還快。這在愛因斯坦看來(lái)，是不可思議的，按照狹義相對(duì)論的原理，沒有什么信號(hào)或者能量的傳遞速度能超過(guò)光速，牛頓的結(jié)論一定有問題。

愛因斯坦認(rèn)為，光受到引力的作用，會(huì)彎曲，并不是因?yàn)檎娴挠辛υ谧饔?，而是光本身就要走最短的路線，但明明光又在走曲線，怎么會(huì)最短呢？如果我們學(xué)過(guò)曲面的幾何原理，就會(huì)知道，在曲面上，比如說(shuō)球面，兩點(diǎn)之間最短的距離，并非直接兩點(diǎn)連線，而是同心大圓與兩點(diǎn)相切的那一條軌跡。那么光走的軌跡，仍然是最短路線，但因?yàn)榭臻g的彎曲，而呈現(xiàn)出來(lái)了光沿著一條曲線在走，也就是說(shuō)，引力只是空間彎曲的外在表現(xiàn)而已。

但是空間是三維的，我們無(wú)法去描繪一個(gè)恰當(dāng)?shù)膱D形，只能大概描繪一個(gè)二維圖形便于理解，如上圖，你可以把空間想象成一張膜，地球放在這張膜上，膜呈現(xiàn)了凹陷，那么假設(shè)一個(gè)東西經(jīng)過(guò)它，如果速度不快，就會(huì)被地球捕獲（比如地球上的所有被吸附的東西，包括我們），如果這個(gè)東西速度夠快（比如光），就會(huì)像上圖那個(gè)玻璃小球一樣逃過(guò)這個(gè)凹陷區(qū)域，但它的路線就是一條曲線。因此，引力的本質(zhì)就是空間的彎曲。根據(jù)這個(gè)理論，如果地球的質(zhì)量發(fā)生變化，那么就相當(dāng)于這張膜的凹陷程度發(fā)生變化，相當(dāng)于膜震動(dòng)了一下，并從地球?yàn)橹行某什顢U(kuò)散出去，這就是著名的“引力波”，這個(gè)預(yù)言，在2016年2月11日被儀器探測(cè)到，這再一次證明了愛因斯坦相對(duì)論的偉大。

5.黑洞與蟲洞

根據(jù)剛才說(shuō)的，引力就是空間的彎曲，那么如果一個(gè)星體，體積小，質(zhì)量大，那么會(huì)怎么樣？

假設(shè)這個(gè)星體，密度達(dá)到一定程度，把空間這張膜整個(gè)坍縮下去，呈現(xiàn)一個(gè)漏斗狀，那就是-黑洞！

我們前面講過(guò)，這個(gè)凹陷的空間區(qū)域，要想從旁邊跑過(guò)，就要具備一定的速度，我們稱之為“逃逸速度”，如果一個(gè)星體的逃逸速度超過(guò)光速，那么也就意味著，連光都無(wú)法從它身邊逃逸出去，而這種星體，就是“黑洞”。

大家都聽過(guò)黑洞，可能也偶爾聽說(shuō)過(guò)蟲洞，那么什么又是蟲洞呢？

如上圖所示，一個(gè)黑洞在空間中就類似一個(gè)漏斗，而如果兩個(gè)尾巴相連的黑洞，呈現(xiàn)雙漏斗狀，就形成了蟲洞。目前我們無(wú)法知道進(jìn)入蟲洞之中會(huì)發(fā)生什么，你可千萬(wàn)別以為真的可以從這個(gè)洞穿越到另一邊去，畢竟，黑洞是連光都無(wú)法逃逸的存在。說(shuō)到此，廣義相對(duì)論的基本理論框架就說(shuō)完了。

廣義相對(duì)論整理和小結(jié)：

狹義相對(duì)論是在慣性系中研究時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)三者的關(guān)系，而廣義相對(duì)論將慣性系擴(kuò)展開來(lái)，通過(guò)等效原理加入了“引力”的概念。

質(zhì)量產(chǎn)生引力，引力等效于加速度，加速度帶來(lái)時(shí)間和空間彎曲，也就是說(shuō)：引力的實(shí)質(zhì)就是彎曲的時(shí)空。

質(zhì)量越大引力越強(qiáng)的地方，時(shí)空被彎曲的越厲害，時(shí)間變得越慢。當(dāng)某些天體的質(zhì)量變得非常大時(shí)，就形成了“黑洞”，黑洞周圍的時(shí)空被扭曲，黑洞內(nèi)部無(wú)法觀測(cè)。由兩個(gè)黑洞扭曲的時(shí)空可能形成“蟲洞”，但蟲洞至今未被明確證實(shí)。

根據(jù)廣義相對(duì)論還推導(dǎo)出宇宙目前正在膨脹，并促成了宇宙大爆炸理論的誕生。之后的宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)和引力波的探測(cè)進(jìn)一步印證了這個(gè)觀點(diǎn)。

與主要使用歐幾里得平面幾何學(xué)的狹義相對(duì)論相比，廣義相對(duì)論推導(dǎo)所使用的是黎曼的曲面幾何學(xué)。如今廣義相對(duì)論更多的應(yīng)用在天體物理學(xué)和研究宇宙結(jié)構(gòu)演化上。

六、最后的話

以上就是對(duì)愛因斯塔相對(duì)論的形成過(guò)程以及相關(guān)原理的簡(jiǎn)單剖析，通過(guò)對(duì)相對(duì)論形成史的簡(jiǎn)單探尋與知悉，讓我對(duì)世界本身有一個(gè)顛覆性認(rèn)知，也就是我們直觀常識(shí)的世界，與理論物理學(xué)的世界，存在著天壤之別，在我們常規(guī)的眼里，仍然保持以伽利略和牛頓建立的絕對(duì)時(shí)空觀之中，我們認(rèn)為，時(shí)間與空間是絕對(duì)獨(dú)立的，與其他任何東西毫不相干，從康德哲學(xué)的角度來(lái)看，時(shí)間與空間取決于人的先天認(rèn)識(shí)形式，這當(dāng)然并不是愛因斯坦要說(shuō)的，但是，物理學(xué)也向我們證明了，世界并非一個(gè)絕對(duì)獨(dú)立于我們存在的毫不相干的世界，它一定是需要建立在人的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)之上的。另外，有一句最重要的話仍想重說(shuō)一遍，“比科學(xué)知識(shí)、科學(xué)故事更重要的，是科學(xué)精神”，我想這句話，甚至不應(yīng)該僅僅適用于自然科學(xué)的領(lǐng)域，而應(yīng)該適用于所有人類的認(rèn)知領(lǐng)域，知識(shí)、故事本身固然重要，但更重要的，是我們對(duì)待知識(shí)乃至世界的態(tài)度，也就是稱之為“觀”的東西，對(duì)待科學(xué)，我們應(yīng)該有正確的科學(xué)觀，對(duì)待哲學(xué)、歷史、文學(xué)亦如是。

以上。

李俊

2019年3月6日